摘 要 甲西水电站枢纽由挡水、泄水、电站等建筑物组成。河床狭窄，岸坡陡峭，因此如何协调发电、泄洪和边坡开挖的关系，是本工程的关键技术问题。结合地形地质条件及各建筑物的结构特点，并考虑枢纽布置、泄洪消能条件、施工条件、经济、安全等要素，重点介绍了甲西水电站首部枢纽布置设计原则及比选思路。
关键词 枢纽布置；主要建筑物；设计；滑雪道式溢洪道；甲西水电站
中图分类号：TV222 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）16-0167-02
1 工程概况
甲西水电站位于四川省甘孜州新龙县境内，为雅砻江上游最末一级水电站。电站坝址位于新龙县和平乡上游约3 km河段，上游与共科水电站尾水衔接，下游为在建的两河口水电站，省道217公路沿坝址左岸通过，对外交通便利。坝址控制流域面积为41148 km2，坝址处河流多年平均流量372 m3/s。
甲西水电站开发任务为发电，无其他综合利用要求。电站初拟水库正常蓄水位2948.00 m，正常蓄水位以下库容为1.36亿m3，具有日调节性能，电站装机容量为360 MW。根据《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》DL5180-2003及《防洪标准》GB50201-94的有关规定，甲西水电站为二等工程大（2）型工程，挡水、泄洪、引水及发电等永久性主要建筑物为2级建筑物，永久性次要建筑物为3级建筑物。
按《防洪标准》（GB50201）及《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》（DL 5180-2003），根据本工程规模，并结合本工程特点，确定各主要建筑物的设计洪水标准为100年设计，洪水流量为3460 m3/s，1000年校核， 洪水流量为4470 m3/s。根据中国地震局地质研究所对工程场地的地震危险性评价报告，甲西水电站工程场地50年超越概率10%的基岩水平峰值加速度为126gal，地震动反应谱特征周期为0.45 s，相应的地震基本烈度为Ⅶ度。
2 自然条件
2.1 水文气象
甲西水电站开发任务为发电，无航运、漂木、防洪、灌溉等综合利用要求。坝址控制集水面积41148 km2，坝址处多年平均流量371 m3/s。坝址多年平均悬移质输沙量335万t，多年平均含沙量285 g/m3，水库运行50年坝前平均淤积高程2895.9 m。坝址区多年平均气温7.5℃，多年平均降雨量618.4 mm，多年平均相对湿度为56%。
2.2 工程地质
坝址区河谷呈基本对称“V”形，坝基岩性出露总体表现为变质砂岩夹粉砂质板岩，总体上以变质砂岩为主，两岸边坡风化卸荷较深。两岸山体雄厚，基岩大多裸露。
第四系松散堆积层为河床冲积层及岸坡崩坡积层。崩坡积（Q4col+dl）块碎石层主要分布于两岸岸坡中下部，厚度约5～15 m。河床覆盖层一般厚2.5～9 m，局部厚15.25 m，主要成分为冲积堆积砂卵砾石层。
出露地层岩性为三叠系上统两河口组下段（T3lh1）中厚层夹厚层状变质砂岩，薄层状变质砂岩、粉砂质板岩及砂质板岩互层。
3 枢纽布置设计
3.1 枢纽布置思路
在研究甲西水电站枢纽布置方案时，要充分认识到该工程的主要特点：
1）河床狭窄、岸坡陡峻。因河床宽度较窄，两岸边坡陡峭，且围岩多为IV、V类，枢纽布置应尽量紧凑，减少边坡开挖高度。如何协调发电、泄洪和边坡开挖的关系，是本工程的关键技术问题。
2）库容小，泥沙含量大。甲西电站为日调节电站，库容较小，电站运行50年，坝前淤积高程2895.9 m，调节库容损失约2%。水库运行60年，坝前淤积高程2938.2 m，已高于发电进水口底板高程2915 m。泥沙淤积问题相对是严重，排沙设施的设计也是本工程的一个重点。
3）经济指标差。目前四川省新建水电站相比较，甲西水电站单位电能静态投资较高，所以尽量优化枢纽布置和建筑物尺寸又是本工程的又一个重点。
3.2 枢纽布置方案及比较
1）坝址坝型选择。鉴于本工程规模不大，地形地质条件相对简单。可研阶段甲西水电站的坝址比较将结合坝型一起开展。
甲西水电站预可阶段拟定了上、下两个坝址，以面板堆石坝为代表性坝型进行技术经济比较，推荐下坝址为推荐坝址。根据预可行性研究报告以及本阶段地质勘察成果，同时考虑面板堆石坝和混凝土重力坝两种坝型，针对每个坝址，首先拟定代表性坝型，并在此基础上，从水能利用、地形地质、枢纽布置、坝型适应性、泄洪消能、防冲护岸、工程量、建筑材料、施工条件、施工工期、环境影响、移民安置、工程投资、工程效益、运行条件等方面，进行综合技术经济比较，最终选定坝址和坝型。
混凝土面板堆石坝虽坝体工程投资较省、工程工期较短，施工方法简单，技术成熟，但溢洪道和泄洪洞开挖、衬砌支护工程量大，开挖边坡较高，泄洪消能系统工程投资增加大，泄洪雾化对岸坡和厂房存在不利影响，且引水防砂问题较难解决，工程量和投资增加较多。
混凝土重力坝方案较好地适应了坝址地形地质条件适应性，坝体设置以表孔为主的泄洪设施，结构简单，运行维护方便；枢纽建筑物布置紧凑，采用坝身泄洪，泄流条件较好，坝后布置发电厂房，设置冲沙底孔和排沙廊道，引水防砂问题易解决，工程量和投资较省，但是如何协调泄洪、冲砂及消能方式仍然是需要研究的重大课题。
预可阶段经过比选，推荐的坝址坝型为下坝址重力坝方案。
2）坝线选择。在选定坝址、选定坝型的基础上结合枢纽布置开展坝轴线研究工作，以有利于大坝整体稳定、安全和节省工程投资为原则，可研阶段可选择预可推荐坝线（Ⅰ线）和其上游约70 m（Ⅱ线）两条坝线并考虑泄水建筑物、引水发电建筑物的布置条件、施工布置条件和直接投资等因素进行比较，合理选择大坝轴线。在随后开展的建筑物进一步设计时，坝轴线的具体位置可以在选定的坝线附近作少量移动或局部调整。
3）枢纽布置方案选择思路。枢纽布置方案拟定应充分考虑工程特点，厂房坝段置于主河床，泄水建筑物根据两岸地形地质条件及泄量分配原则进行多方案比较研究。
①坝址左岸边坡岩层倾向坡外，不利于边坡稳定，坝址下游右岸有较大范围崩坡积覆盖层，可不考虑将表孔溢洪道置于左岸。
②研究加大泄洪深孔泄量，减小表孔泄量。
③排沙设施暂按厂房坝段左、右侧各布设一个深孔考虑，其效果将通过水工模型试验验证。若两个深孔不能保证电站进水口“门前清”，考虑增加其他排沙通道。
4）枢纽布置方案比选。针对选定的坝型、坝线，枢纽布置格局主要是根据地形地质条件，本工程枢纽布置特点，即河床狭窄、泄洪流量不是很大（校核洪水流量4470 m3/s）和淤沙情况严重等特点，可研阶段初拟2种枢纽布置方案：方案一：重力坝+坝后厂房+右岸2表孔1深孔挑流方案（预可阶段推荐方案）；方案二：重力坝+坝后厂房+ 1表孔2深孔挑流方案，两个方案的主要差别在泄洪和冲砂建筑物上。
方案一的优点是：表孔和深孔在同一侧，在出口段挑流采用高低差动错落泄洪，在顺河向距离布设，可以避开相互泄洪之间的干扰；缺点是：两个表孔的布设不方便运行管理，并且冲砂拉砂的效果是否满足电站的运行仍然需要重点研究，表孔泄槽段的稳定需要两个表孔联合承受才能保持稳定。
方案二的优点是：两个冲砂底孔对称布设，冲砂和拉砂的效果相对单孔有效性更大，并且都挑射到河床中，两侧的水流在空中撞击，可以抵消能量，减小挑流雾化影响。单个溢流表孔运行方式简单，结构稳定也比较容易满足；缺点是：要重点研究深孔和表孔的泄流分配，表孔的尺寸受闸门的限制不能太宽，深孔的尺寸受坝体稳定的影响也不能太大。
根据拟定的枢纽布置方案，做详细的设计工作之后，从水能利用、地形地质条件、建筑物布置、水力学条件、工程量、施工条件、施工工期、施工占地、工程投资和运行条件等方面，结合必要的试验研究成果，综合比较论证后选定枢纽布置方案。
4 关键技术问题
4.1 枢纽布置格局
在选定坝址、选定坝型的基础上结合枢纽布置开展坝线研究工作，拟定比较坝线，综合坝址地形地质条件、枢纽建筑物布置条件、施工布置条件和直接投资等因素，通过方案比选确定大坝坝线。
根据坝址区地形地质条件，经泄洪消能建筑物、引水发电建筑物以及导流建筑物可能的布置位置和型式的分析研究，合理组合成不同的枢纽布置方案。从各枢纽布置方案的施工条件、施工技术和施工进度，从各枢纽布置方案的安全可靠、运行灵活和管理维护方便，从各枢纽布置方案的环境影响和工程投资等多方面，经全面技术经济比较，提出“安全可靠、紧凑协调、施工方便、运行灵活、投资节省”的枢纽布置方案。
4.2 枢纽排沙减淤措施研究
为保证工程运行安全，有效的发挥工程的效益，甲西预可阶段采用右岸深孔排沙方式，可研阶段将根据新的泥沙计算成果，研究右岸深孔排沙，左右岸深孔排沙及排沙廊道等不同的排沙建筑物布置方案，通过水工模型试验成果，选择经济合理、运行方便的排沙设施。
4.3 泄洪消能方式研究
坝址区下游是甲西古滑坡，要尽量避免泄洪雾化的不利影响，同时也应注意泄洪对下游河床的冲刷。根据工程区的特点和水库运用要求，泄洪消能布置的原则如下。
①工程应布置满足水库泄洪、排沙要求。
②底孔在满足排沙前提下，分析研究与表孔的流量分配
比例。
③泄洪系统应安全可靠，运用灵活。
④分区泄洪，分区消能，避免产生危及工程安全的河床集中冲刷。
⑤水流归槽条件好，下游流态良好，尽量减小或避免对电站尾水的影响。
⑥重视施工和泄洪消能对环境的不利影响。
⑦重视对下游两岸的防护，防止对耕地的冲刷。
1）泄洪建筑物布置。受地形地质条件限制，枢纽建筑布置相对紧凑，泄洪建筑物尽量和坝结合，以减少高边坡的开挖。泄洪建筑物布置拟采用2个溢流表孔+ 1个底孔、1个溢流表孔+左右岸2个底孔（厂房坝段两侧各一个）等方案进行比较。
各泄水建筑物的孔口尺寸及控制高程应结合泄流能力及淤沙高程来确定。
2）消能方案。甲西电站下游右岸为甲西古滑坡，其下游左岸布置有进厂公路，泄洪消能时，应尽量减轻对其的影响。甲西电站枢纽布置紧凑，泄洪建筑布置靠近挡水建筑，泄洪消能时，下泄水流应远离挡水建筑物及厂房尾水，同时应尽量减轻对下游河道的冲刷，避免危及挡水建筑物。
可研阶段需根据新的枢纽布置，对挑流消能与底流消能方案进行分析比较，结合推荐方案的水工模型试验确定最终的消能方案，并对下游河道的消能防冲设计做重点研究。
4.4 高边坡开挖支护措施研究
由于甲西坝址河谷狭窄，两岸天然边坡陡峻，平均坡度约550，岸坡岩体多为IV、V类，边坡稳定问题突出，预可成果表明，存在两岸坝肩边坡、缆机平台边坡、滑雪道式溢洪道边坡等一些高边坡。
可研阶段根据地形地质条件和各建筑物的开挖要求，确定边坡的开挖参数、支护参数、排水设计，进行必要二维或者三维有限元的稳定计算分析，并制定经济而合适的边坡支护措施。
4.5 混凝土温控及耐久性研究
高混凝土坝的裂缝及其防治问题是工程设计中的重大问题。防裂的关键问题是要作好大坝混凝土及温度控制设计。温度荷载是混凝土重力坝坝设计的重要荷载之一，对混凝土重力坝施工期的工作性态有着重要影响，因而必须对此进行充分的实验、分析、论证，以确保混凝土的各项特性达到设计要求。进行大坝混凝土温度控制设计研究，了解大坝受温度荷载的影响特点，并提出合理可行的拱坝温控措施。
根据预可报告，甲西电站推荐坝型为混凝土重力坝，鉴于雅上特殊的气象条件，多年平均气温7.5℃，极端最高气温33.6℃，极端最低气温-19.2℃，昼夜温差较大，所以在设计过程中应高度重视水工混凝土耐久性问题，并且大坝混凝土种类不宜过多，根据混凝土配合比试验，采用能满足高寒地区冻融循环次数较多的混凝土参数。
5 结论
甲西水电站枢纽布置不仅要适应河床狭窄、边坡陡峻的地形条件，更要进行多方案比较，设计优化，控制总投资。不仅要求枢纽建筑物形式简单、布置合理，而且要找到经济与工程安全的契合点，努力实现水电设计院的“企业梦”、“中国梦”。
参考文献
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作者简介
刘侠（1978-），女，山东郓城人，高级工程师，主要从事水工设计和勘测设计工作。